电离层闪烁监测

电离层、闪烁和卫星信号

采访Septentrio的GNSS专家Jean-Marie Sleewaegen

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什么是电离层闪烁？

来自GNSS卫星的信号跨越两万公里抵达地球，在这段旅程的大半部分中，这些信号都是畅通无阻的。然而，GNSS信号在地球大气层 - 尤其是电离层（地球上方100到1000公里之间的带电层）中的折射和衍射，可能会导致信号延迟和失真。

顾名思义，电离层包含因与来自太阳的高能粒子相互作用而带电（即 离子化）的粒子。当这些电离粒子呈平滑或均匀分布时，GNSS接收机可以使用模型校正它们对卫星信号的影响。但是当电离粒子不规则分布时，就会造成问题。不规则是指电离层电子密度的局部波动，这会扭曲GNSS信号的相位和振幅，从而产生一种称为“闪烁”的波动。

电离层扰动最常发生在哪里？

闪烁事件在磁赤道周围区域最为频繁和强烈，在两极也有发生，但程度较轻。与其他自然现象类似，闪烁是不可预测的，西欧和美国的中纬度地区也曾报道过闪烁事件。

电离层闪烁最常发生在什么时候？

太阳活动遵循有据可查的11年周期（以太阳黑子的数量测量）。在太阳活动高峰期，频繁的太阳耀斑释放出强大的高能质子和X射线爆发。这些粒子随后与地球大气相互作用，导致在接近太阳活动高峰的年份闪烁事件增加。

闪烁事件还在每天的历程中表现出变化，日落促使电离层活动急剧增加，可持续数小时之久。

S4 Ionospheric scintillation events observed in Brazil

电离层闪烁对GNSS定位意味着什么？

全球定位系统 (GPS)，或者更普遍的是，通过全球导航卫星系统 (GNSS) 接收机使用来自绕地卫星的信号来计算所在的位置。太阳活动的增加会导致电离层发生闪烁事件，从而降低卫星信号的质量。对于标准GNSS接收机而言，轻微的闪烁便足以使定位精度降低多达几米。更剧烈的闪烁会导致周跳，或者在最极端的情况下，会导致信号完全失锁。在这些情况下，即使是正常的无线电通信也会受到闪烁的严重干扰。因此，无论您是在巴西从事精准农业、在阿拉斯加进行石油勘探，还是在新加坡开展大型建设项目，您都应该确保您的精准GNSS系统具有内置的电离层稳健性能。

对在具有挑战性的电离层条件下使用接收机的建议

在太阳活动增强期间，某些卫星信号可能会受到闪烁的影响。您可以采取以下预防措施，以确保即使在这种具有挑战性的条件下也能获得最佳定位。

充分利用Septentrio的多频GNSS信号，检查所有4个可用卫星星座及其所有信号是否都用于跟踪。这将最大限度地提高使用优质信号进行最稳健定位计算的机会。
将“跟踪仰角掩码”增加到20度，以滤除信号质量可能较低的卫星。
避免在日落之后和午夜之前的时间段工作，因为闪烁事件实际上更多发生在这个时间段。
尽管上述措施有助于在复杂条件下实现精确定位，但在电离层活动严重的极端情况下，所有GNSS卫星信号都有可能受到影响，导致定位精度降低甚至完全丢失。

Ionospheric scintillation GNSS signals improved by Septentrio's IONO+algorithm

磨砺我们的IONO+算法

绿色曲线表示受闪烁影响的定位，蓝色曲线表示具有内置抗电离性能的接收机的定位。

因为参与了巴西这个经常受闪烁困扰的国家的各种项目，直接促使Septentrio开发出了IONO+技术。即使是在会降低标准接收机性能的条件下，配备IONO+的 Septentrio 接收机也可以继续跟踪信号。这项技术还使Septentrio接收机能够识别闪烁事件并限制它们可能对定位精度产生的任何不利影响。上图显示了闪烁事件期间静态接收机计算出的高度：IONO+算法正确识别出并从位置计算中删除了受闪烁影响的信号。

IONO+技术旨在减轻正常活动和闪烁电离层的不利影响。采用标准RTK定位技术的接收站通常需要一个参考站网络来插补电离层延迟并在流动站处对其进行补偿。而使用IONO+技术，接收机可以在内部估算电离层延迟，不需要网络。它只需要一个基线40公里内的参考站，如果电离层安静，甚至可以扩大到80公里范围内。

更多详细信息和实例，请参见我们的技术论文：CALIBRA：减轻电离层闪烁对巴西精密单点定位的影响。